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1、编号：12321101本科毕业论文家庭式太阳能发电系统设计院 系：电子科学与工程系姓 名：学 号：专 业：年 级：指引教师：职 称：完毕日期：摘 要20世纪70年代后，太阳能光伏发电在世界范畴内受到高度注重并获得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能运用一种重要构成某些，并被以为是21世纪最具发展潜力一种发电方式。研究便于普及型家庭式太阳能发电系统对于缓和能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具备重要意义。一方面通过计算得出驻马店地区太阳能光伏方阵最佳倾角及相应斜面上历年逐月日均太阳能辐射量，然后再运用计算出有关太阳能数据进一步计算选出了该家庭式太阳能发电系统各重要设备参数和规格，同步对设备
2、参数进行了优化选取，选出了最佳光伏方阵和蓄电池容量，最后对系统整体造价、每日发电量、节约能源进行计算，阐明家庭式太阳能发电系统巨大社会效益。核心词：光伏发电；家庭式太阳能；太阳辐射；最佳倾角AbstractAfterthe 1970s,solar photovoltaicpower generationin the worldhas been attached toandmade considerable progress.Solar photovoltaic technologyastheutilization of solar energyis an importantpart ofand
3、 is considereda power generationofthetwenty-first centurythe most development potential.Research on photovoltaic solar power generation systemstoalleviate the energy crisis and reduce environmental pollution,andreduce the greenhouse effectis of great significance.In this paper,calculatedZhumadian ar
4、easolarphotovoltaic array,the optimum tilt angleandthecorrespondingslope on thecalendar yearmonthlyaverage dailysolarradiation，the useofsolardatafurther calculationtoelectamain device parametersofthesolar power systemand specifications ofthe equipmentparameterswere optimizedcheck,and then selecttheb
5、estof thePV array andbattery capacity，and final note of the enormous social benefits of home solar power system.Keywords:Photovoltaic;Homesolar;Solar radiation;The optimum tilt angle目 录1 绪论11.1 选题背景意义和价值11.2 太阳能光伏发电运用现状21.2.1 国外太阳能光伏发电运用状况21.2.2 国内太阳能光伏发电运用状况31.2.3 家庭式太阳能发电系统现状41.2.4 本设计研究内容42 家庭式太阳
6、能发电系统原理和构成62.1 家庭式太阳能发电系统原理62.2 家庭式太阳能发电系统构成62.2.1 太阳能电池方阵72.2.2 防反充二极管92.2.3 蓄电池组92.2.4 控制器102.2.5 逆变器103 家庭式太阳能发电系统设计123.1 家庭式太阳能发电系统整体设计环节123.2 光伏方阵最佳倾角计算133.3 家庭日用电负荷计算153.4 电池组件拟定163.5蓄电池容量拟定163.6 逆变器和控制器拟定173.7 太阳能组件安装设计173.8 家庭式太阳能发电系统效益分析193.8.1 系统投资预算193.8.2 系统经济效益203.8.3 系统社会效益214 总结与展望22参
7、照文献24道谢25附录261 绪论1.1选题背景意义和价值随着常规能源大量消耗，使得可再生能源越来越多受到21世纪人类关注。对能源资源消耗所引起气候变化等一系列问题，不但是对中华人民共和国提出挑战，也是对世界提出挑战,能源短缺使太阳能光伏发电越来越受青睐。太阳能之因此受到世界各国越来越多关注重要是由于其具备如下长处：(1)太阳历史寿命长，与人类历史(约30万年)相比，太阳具备很长寿命，因此对人类来讲,太阳能几乎是无限能源：(2)太阳是十分强大能源供应体，太阳光40min内赐予地球能量如果可以都为人类所运用话，预计就能满足全世界一年能源消耗；(3)太阳能不会导致环境污染、能源损失等社会问题；(4
8、)能量获取简朴直接，在使用现场就能从太阳光获得能量。1839年，法围科学家贝克雷尔(Bccquml)发现，光照能使半导体材料不同部位之间产生电位差，这种现象日后被称为“光生伏打效应”简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔挫在美圈贝尔实验室初次制成了实用单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能实用光伏发电技术。在太阳能有效运用当中，太阳能光电运用是近些年来发展最快，最具活力研究领域之，也是其中最受瞩目项目之一。太阳能光伏发电具备水电、火电、核电所不能比拟清洁性、安全性、普及性等长处。随着科学进步，光伏发电技术已可用于任何需要电力且有光照场合。据国际能源署预测，到，全球光伏发电量将占
9、总发电量2。近来5年，德国、西班牙、日本等许多国家都在勉励发展涉及太阳能光伏在内可再生能源，光伏电池产量年平均增长率超过40，迅速“发酵”国际市场也拉动了国内光伏产业发展。据记录，当前国内已经成为全球第一大光伏电池生产国，太阳能光伏发电在不远将来会占据世界能源消费重要席位，不但将代替某些常规能源，并且将成为世界能源供应主体。预测到2030年，可再生能源在总能源构造中将占到30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗50以上，太阳能光伏发电将占总电力20以上；到2l世纪末，可再生能源在能源构造中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上。这些
10、数字足以显示出太阳能光伏产业发展前景及其在能源领域重要战略地位1。中华人民共和国已成为继美国之后世界第二大电力消费大国，但电力对中华人民共和国经济发展制约作用已开始显现，国内数以百万计公司亟待进行节电改造。随着人们生活水平不断提高，社会经济活动和交流日益频繁与扩大，生活用电量不断增长，如何充分运用电力、节约电能、保障电力品质，已经成为国内亟待解决问题，运用太阳能光伏发电必然是最佳选取。随着太阳能光伏发电在人们生活中被逐渐结识和大量应用，广泛使用绿色能源对减少二氧化碳和其他有毒气体排放，防治大气污染，保护生态环境具备重要意义。因而，研究开发太阳能发电绿色能源具备强烈急迫性。1.2 太阳能光伏发电
11、运用现状1.2.1 国外太阳能光伏发电运用状况在化石能源日益稀缺背景下，各国均大力发展太阳能运用，其中日本、欧洲国家(德国)和美国等经济发达、能源消耗大国家起步较早，在技术和应用上都处在领先地位。由于太阳能发电成本较老式能源高，因而需要政府予以政策扶持。从20世纪90年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行“阳光筹划”，在太阳能发电价格、税收、发展基金等方面予以较大优惠，同步，在政府资助下，欧洲某些高水平研究机构也加大了太阳能运用研究。欧美、日本等国家还制定了长期能源发展战略，对太阳能发展进行了长期规划。1997年6月美国提出“百万太阳能屋顶筹划”，筹划到将在100万个屋顶或建筑物其她也许部位安装
12、太阳能系统，涉及太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于1997年左右也宣布了百万屋顶筹划，其中，在太阳能运用领域领先德国联合政府在欧洲百万屋顶框架下于1998年10月提出了筹划在6年内安装10万套太阳能屋顶系统，总容量在300-500MW，每个屋顶约3-5KW。日本政府筹划目的是，到安装500MW屋顶光伏发电系统2。 在各国政府扶持下，世界太阳能电池产量迅速增长，1995-间，全球太阳能电池产量增长了17倍。，全球太阳能电池年产量达到了1650MW，合计装机发电容量超过5GW，其中，日本太阳能电池产量达到762MW，增长率为27%；欧洲产量增长48%，达到了464 M
13、W；美国增长12%，达到了156MW；世界其她地区增长96%，达到了274MW。咱们预测，全球太阳能电池年产量有望达到10400MW，较年产量增长6.3倍；整个行业销售收入有望在-间，从130亿美元提高至450亿美元，在将来5年内增长3.5倍。同步，受益于规模经济、生产效率和工艺水平提高，整个产业链成本均有望下降，行业利润率有望保持在较高水平上。到年末，欧洲合计安装29617.145 MW，占世界光伏发电装机总容量74.5%。以国家而论，世界最大光伏发电国家是德国，末装机容量高达17320 MW，占世界份额43.5%；西班牙和日本装机容量分别为3892 MW和3617.2 MW，占世界份额为9
14、.8%和9.1%；意大利、美国分居世界第四和第五位，占世界份额为8.8%和6.3%。从世界范畴来讲，光伏发电已经完毕了初期开发和示范阶段，当前正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到当前作为公共电力并网发电，其应用范畴也已遍及几乎所有用电领域。1.2.2 国内太阳能光伏发电运用状况国内1958年开始研究太阳电池，于1971年成功地初次应用于国内发射东方红二号卫星上，1973年开始将太阳电池用于地面一天津港航标灯。1979年开始用半导体工业次品硅生产单晶硅太阳电池，使太阳电池成本明显下降，打开了地面应用市场。当时太阳电池面积小，采用真空蒸镀银铝办法制作太阳电她电极。80年代中期
15、，引进国外太阳电池生产线或核心设备，使国内太阳电池生产能力达4.5MW。后，国内光伏产业有了突飞猛进发展，无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，公司竞争力不断增强。国内太阳能资源丰富，年日照时数不不大于小时，年太阳能辐射总量高于每平方米1389千瓦时一、二、三类地区约占全国总面积三分之二以上，具备太阳能运用良好础。国内地区辽阔，经济发展不平衡，西部地区尽管具备丰富电力资源，但是由于受到地理环境、交通和环保等因素制约，从经济角度考虑常规电力无法进入，使得这些地区经济和人们生活环境极其落后，国家西部大开发战
16、略，给这一地区经济发展注入了活力。正在实行“光明工程”解决了某些无电乡生活、办公、学校用电问题，使一大批农牧民结束了无电历史，改进了生活质量。随着国内对可再生能源扶持力度逐渐加大，国内太阳能光伏产业获得了很大进展。国内首座太阳能发电一体化建筑大厦在河北保定市正式投入运营，总装机容量可达0.3MW，相称于一种小型发电站，发出来电不但供大厦使用，还可直接并入电网。此座建筑大面积、多角度采用了太阳能发电技术，安装并网容量达0.3MW，不但能满足大楼群公共照明，并且可以并网发电。国内某些知名高校也成立太阳能光伏发电实验室，如河南省黄淮学院建成太阳能光伏发电实验室，充分运用学校建筑面积总装机量达到了2M
17、W，经升压变压后直接并与电网，实现电能互补运用。如除此之外，海南省也力求打造“光伏岛”等。到，中华人民共和国光伏电池产量达到8GW，成为全球第一大光伏制造基地，占全球50%产量，但国内光伏系统安装量仅约50MW，光伏系统累积装机容量仅约1 GW，相称于世界当年安装量0.5%和世界合计安装量2.2%。其中：农村电气化（涉及道路照明）合计装机容量400MW，通讯和工业应用300MW，光伏产品（路灯、草坪灯、都市景观、LED照明、交通信号等）30MW，并网光伏发电270MW。因此，国内太阳能光伏产业急需更更广泛推广应用。国家科技部近来发布太阳能发电科技发展“十二五”专项规划提出“十二五”期间，要实现
18、光伏技术全面突破，增进太阳能发电规模化应用，初步建立太阳能发电国标体系和技术产品检测平台，形成国内完整太阳能技术研发、装备制造、系统集成、工程建设、运营维护等产业链技术服务体系3。发展改革委能源研究所副所长李俊峰以为，此后5-l0年内，国内光伏发电系统应用一方面还将以户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户供电问题，另一方面，要借鉴发达国家发展屋顶系统经验，在大中都市道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用。1.2.3 家庭式太阳能发电系统现状当前，国内家庭式太阳能光伏发电系统现阶段重要是用于无电、缺电人口通电。至底，已有大概75万套家庭式太阳能光伏发电系统进入顾客
19、家庭。在这些顾客之中，大多数都是牧区牧民家庭，这些家庭通电水平还比较低，普通只能满足基本照明需要。除此以外，尚有林区和农区农户和养蜂户以及无电公路道班、学校、商店等小单位以在使用家庭式太阳能光伏发电系统，尚有某些缺电地区城乡居民，也成为家庭式太阳能光伏发电系统顾客。如果这些家庭式太阳能光伏发电系统保有量按80%计，加上国家光明工程和送电到乡工程光伏电站，中华人民共和国当前至少有100万户家庭重要依托光伏发电系统解决基本生活照明用电3。 究竟，中华人民共和国光伏发电市场合计安装量达到70MW，其中约43%为农村电力建设方面应用，而全国大概尚有300万无电户，预计其中至少尚有150万户需要在此后十
20、年内采用光伏或风光互补发电系统来解决。由于居住条件限制，输电设备很难到达，她们中大多数只能采用分散供电方式，即采用家庭式太阳能光伏发电系统。而许多已经用上光伏系统顾客也将升级换代，提高用电水平。因而，研究家庭式太阳能发电系统有着很现实意义。1.2.4 本设计研究内容随着太阳能光伏发电价格不断下降及国家有关政策支持，国内太阳能光伏发电系统迎来了一种迅速发展时期，但是国内当前投入较大是大型并网光伏发电系统，对独立型小功率太阳能发电系统研究很少，特别是对完整家庭式太阳能系统研究设计更少，然而家庭式太阳能发电系统灵活性和经济性都大大优于大型并网发电系统，有助于广泛普及。现本人筹划设计一套完整功率约为2
21、KW普通家庭式太阳能发电系统，每天发电量约为8kW.h，能满足普通家庭顾客日惯用电需求，可以解决偏远地区顾客用电困难问题，更重要是它尚有较好社会效益。一套微型300W太阳能发电系统，每年大概发电量250kW.h，每年减少发电消耗原则煤100KG，减少向大气排放二氧化碳300KG，减少二氧化硫6.88KG，广泛推广必将产生巨大社会效益。此外该系统还可以有效地运用建筑屋顶，节约宝贵土地资源，太阳能发电阵列普通可安装在屋顶及墙面上直接吸取太阳能，发电同步又可以减少墙面及屋顶温度，减轻建筑空调负载，从而进一步减少了耗能。2 家庭式太阳能发电系统原理和构成2.1 家庭式太阳能发电系统原理太阳能光伏发电能
22、量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。太阳能电池发电原理是光生伏特效应。当太阳光（或其她光）照射到太阳能电池上时，电池吸取光能，产生光生电子空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端浮现异号电荷积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。若在内建电场两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳光能就直接变成了可以付诸实用电能。2.2 家庭式太阳能发电系统构成普通来说，家庭式太阳能光伏发电系统重要涉及太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和逆变器等某些。家庭式太阳能光伏发电系统构造如图2-1所示。太阳能电池组件控制器逆变器蓄电池交流负载直接供
23、LED灯12/24/48V DC110/220V AC图2-1 家庭式太阳能光伏发电系统构造图太阳能电池组件是整个系统能源来源，它把照射到其表面太阳能转化为电能；控制器是整个系统核心部件之一，其运营状态决定着系统运营状态，系统在控制器管理下运营；蓄电池功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出电能并在无光照时向负载供电；逆变器是将直流电变换为交流电设备，由于太阳能电池阵列和蓄电池发出是直流电，因而当系统向交流负载供电时，逆变器是不可缺少。2.2.1 太阳能电池方阵通过导线连接太阳能电池被密封成物理单元被称为太阳能电池组件，具备一定防腐、防风、防雹、防雨等能力，广泛应用于各个领域和系统。太阳能电池
24、单体是光电转换最小单元，尺寸普通为2cm2cm到15cm15cm不等。太阳能电池单体工作电压约为0.451.5V，工作电流约为2025mA/cm2,普通不能单独作为电源使用。将太阳能单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率普通为几瓦至几百瓦，是可以单独作为电源使用最小单元。太阳能电池组件再通过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所规定输出功率4。（1）太阳能电池简介一种太阳能电池只能产生大概0.45V电压，远低于实际应用所需要电压。为了满足实际应用需要，须把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包括一定数量太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一种组件上，太阳能
25、电池组件原则数量是36或40个（10cm10cm），这意味着一种太阳能电池组件大概能产生16V电压，正好能为一种额定电压为12V蓄电池进行有效充电。（2）太阳能电池封装类型太阳能电池可靠性在很大限度上取决于防腐、防风、防雹、防雨等能力。其潜在质量问题是边沿密封以及组件背面接线盒。太阳能电池封装方式重要有如下两种：双面玻璃密封。太阳能电池组件正反两面均是玻璃板，太阳能电池被镶嵌在一层聚合物中。这种密封方式存在一种重要问题是玻璃板与接线盒之间连接。这种连接不得不通过玻璃板边沿，由于在这种玻璃板上打孔是很昂贵。玻璃合金层叠密封。这种组件前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片重要功能是防潮、防污。
26、太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可用导线连接5。（3）太阳能电池电气特性。组件电气特性重要是指电压电流特性，也称为V-I曲线，如图2-2所示。V-I曲线显示了通过太阳能电池组件传送电流Im与电压Vm在特定太阳辐照度下关系。如果太阳能电池组件电路短路即V=0，此时电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I=0，此时电压称为开路电压Voc.太阳能电池组件输出功率等于流经该组件电流与电压乘积，即P=VI。当太阳能电池组件电压上升时，例如通过增长负载电阻值或组件电压从0（短路条件下）开始增长时，组件输出功率亦从0开始增长；当电压达到一定值时，IVmVocISCImPmV 图2-2 太阳能电池V-I特性
27、曲线（I电流；Isc短路电流；Im最大工作电流；V电压；Voc开路电压；Vm最大工作电压；Pm最大功率；）功率可达到最大，这时当阻值继续增长时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Voc。在组件输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所相应电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所相应电流，称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流)；该点功率，称为最大功率Pm。（4）性能测试由于太阳能电池组件输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池温度，因而太阳能电池组件测量在原则条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号原则，其条件是：光谱辐照度，1
28、000W/m2；光谱，AM1.5；电池温度，25。在该条件下，太阳能电池组件所输出最大功率被称为峰值功率，表达为Wp。在诸多状况下，组件峰值功率通惯用太阳能模仿器测定并与国际认证机构原则化太阳能电池进行比较。在户外测量太阳能电池组件峰值功率是很困难，由于太阳能电池组件所接受到太阳光实际光谱取决于大气条件及太阳位置；此外，在测量过程中，太阳能电池温度也是不断变化。在户外测量误差很容易达到10%或更大6。（5）热斑效应和旁路二极管在一定条件下，一串联支路中被遮蔽太阳能电池组件将被当作负载，消耗其她被光照太阳能电池组件所产生能量。被遮挡太阳能电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。这种效应能很严重地破
29、坏太阳能电池。有光照太阳能电池所产生某些能量或所有能量，都也许被遮蔽太阳能电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电池组件正负极间并联一种旁路二极管，以避免光照组件所产生能量被遮蔽组件所消耗。（6）连接盒连接盒是一种很重要元件，它保护太阳能电池与外界交界面及各组件内部连接导线和其她系统元件。它包括1个接线盒和1只或2只旁路二极管。（7）可靠性和使用寿命考察太阳能电池组件可靠性最佳方式是进行野外测试，但这种测试需经历很长时间。为能用较低费用在相似工作条件下以较短时间测量出可靠性，一种新型测试办法正在发展之中，即加速使用寿命测试办法。这种测试办法，重要是根据野外测试和过去所
30、执行加速度测试之间关联度，并基于理论分析和参照其她电子测量技术以及国际电工技术委员会太阳能光伏能源系统原则化委员会测试原则（IEC/TC82）而设计。在IEC规范503条中描述了一整套可靠性测试办法。这一规范包括如下测试内容：UV照明测试；高温暴露测试；高温/高湿测试；框架扭曲度测试；机械强度测试；冰雹测试；温度循环测试。太阳能电池发电系统中太阳能电池组件盼望使用寿命至少是25年，详细寿命决定于太阳能电池组件构造性能和本地环境条件。2.2.2 防反充二极管又称阻塞二极管。其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或浮现短路故障时蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。它串联在太阳能电池方阵电
31、路中，起单向导通作用。规定其能承受足够大电流，并且正向电压降要小，反向饱和电流要小，其耐压一定要比被充电电池电压高，否则电池就会被击穿。蓄电池电压要按最高电压计算，电池布满时电压约为标称1.2倍。为了防止意外，应留出余量，普通取最大值1.414倍。2.2.3 蓄电池组当前太阳能光伏发电系统中普通使用蓄电池实现储能，惯用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存化学能转化为电能提供应负载使用。普通来讲，太阳能光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里电能放出来使用。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组规定是
32、：自放电率低；使用寿命长；深放电能力强；充电效率高；少维护或免维护；工作温度范畴宽；价格低廉。当前国内与太阳能电池发电系统配套使用蓄电池重要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上铅酸蓄电池，普通选用固定式或工业免维护铅酸蓄电池；配套200Ah如下铅酸蓄电池，普通选用小型密封免维护铅酸蓄电池7。2.2.4 控制器是家庭式太阳能发电系统核心部件之一。家庭式太阳能发电系统控制器普通应具备如下功能：信号检测。检测光伏发电系统各种装置和各个单元状态和参数，为对系统进行判断、控制、保护等提供根据。需要检测物理量有输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温升等。蓄电池最优充电控制。控制器依照当
33、前太阳能资源状况和蓄电池荷电状态，拟定最佳充电方式，以实现高效、迅速地充电，并充分考虑充电方式对蓄电池寿命影响。蓄电池放电管理。对蓄电池放电过程进行管理，如负载控制自动开关机、实现软启动、防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致错误保护等。设备保护。光伏系统所连接用电设备，在有些状况下需要由控制器来提供保护，如系统中因逆变电路故障而浮现过压和负载短路而浮现过流等，如不及时加以控制，就有也许导致光伏系统或用电设备损坏。故障诊断定位。当光伏系统发生故障时，可自动检测故障类型，批示故障位置，为对系统进行维护提供以便。运营状态批示。通过批示灯、显示屏等方式批示光伏系统运营状态和故障信息。2.2.5 逆变器
34、逆变器是将直流电变换成交流电设备。由于太阳能电池和蓄电池发出是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少。对逆变器基本规定是：能输出一种电压稳定交流电。无论是输入电压浮现波动，还是负载发生变化，它都要达到一定电压稳定精度，静态时普通为2%。能输出一种频率稳定交流电。规定该交流电能达到一定频率稳定精度，静态时普通为0.5%。输出电压及其频率在一定范畴内可以调节。普通输出电压可调范畴为5%，输出频率可调范畴为2Hz。具备一定过载能力，普通能过载125%150%。当过载150%时，应能持续30s；当过载125%时，应能持续1min及以上。输出电压波形含谐波成分应尽量小。普通输出波形失真率应控制在7
35、%以内，以利于缩小滤波器体积。具备短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能。起动平稳，起动电流小，运营稳定可靠。换流损失小，逆变频率高，普通在90%以上。具备迅速动态响应8。逆变器按运营方式，可分为独立运营逆变器和并网逆变器。独立运营逆变器用于独立运营太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运营太阳能电池发电系统，将发出电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简朴，造价低，但谐波分量大，普通用于几百瓦如下和对谐波规定不高系统。正弦波逆变器，成本高，但可以合用于各种负载。从长远看，晶体管正弦波（或准正弦波）逆变器将成为发展主流。3
36、 家庭式太阳能发电系统设计3.1 家庭式太阳能发电系统整体设计环节系统建设地点地理及气象条件，如：纬度，经度，海拔高度，年最高、最低气温和月平均气温，年分月太阳辐射量，年日照时数，年最长持续阴雨天数，年平均风速及极限风速，灾害性地质及气候状况计算太阳能电池方阵最佳倾角()用电负载特点及规定，容许失电小时数，容许输电电压初步拟定太阳能电池方阵尺寸、额定功率、组件串并联数及组合方式拟定蓄电池组容量及串并联方式计算拟定控制器规格型号计算拟定逆变器规格型号计算出整体系统报价清单家庭式太阳能发电系统经济效益分析图3-1 家庭式太阳能发电系统设计环节框图如图3-1为家庭式太阳能发电系统设计环节框图。家庭式
37、太阳能光伏发电系统设计分为软件设计和硬件设计，软件设计先于硬件设计。软件设计涉及：负载用电量计算，太阳能电池方阵面辐射量计算，太阳能电池和蓄电池容量计算，太阳能电池方阵安装倾角计算，系统运营状况预测和系统经济效益分析等。硬件设计涉及：负载选型及必要设计，太阳能电池和蓄电池选型，太阳能电池支架设计，逆变器选型和设计，以及控制系统选型和设计。由于软件设计牵涉到复杂太阳能辐射量、安装倾角以及系统优化设计计算，普通是由计算机来完毕；在规定不太严格状况下，也可以采用估算办法。在设计计算中，需要基本数据重要有：现场地理位置，涉及地点、纬度、经度和海拔等；安装地点气象资料，涉及逐月太阳能总辐射量、直接辐射量
38、及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长持续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象状况。气象资料普通无法做出长期预测，只能以过去到平均值作为根据。此外，从气象部门得到资料，普通只有水平面太阳辐射量，实际使用时必要设法换算到相应阵列倾斜面上辐射量。对于偏远地区太阳辐射数据也许并不类似于附近都市，可采用邻近某个都市气象资料或类似地区气象观测站所记录数据进行类推。3.2 光伏方阵最佳倾角计算由于太阳光照射到地面角度时时刻刻都在变化，而太阳能电池只有在日光直射时候发电效率是最高，因而太阳能电池方阵布置有两种办法：一种是安装向日跟踪系统；此外一种是依照计算拟定最佳安装角度安装太阳能电池方阵。前者可
39、以提高太阳能电池发电效率，但成本很高，后一种虽然效率没有前者高，但建设成本较低，综合考虑采用第二种办法。（1）计算办法9依照天空散射各向异性模型计算办法，在纬度为处，倾角为斜面上，其太阳辐射量为：（3-1）式中：Hb和Hd分别为水平面上直接和散射辐射量；Rb 为倾斜面与水平面上直接辐射量之比；H0 为大气层外水平面上太阳辐射量。对于朝向赤道斜面：Rb=（3-2）式中 是太阳赤纬角，可由Cooper 方程近似计算：（3-3）式中N为一年中日期序号， 依照Solar Engineering of Thermal ProcessesEdited by John A. Duffie and Willi
40、am A. Beckman 推荐各月所取典型日期见表3-1。式中S和ST分别为水平面和倾斜面上日出时角，（3-4）（3-5）表3-1 各月所取典型日期月份123456789101112日期171616151511171615151410N174775105135162198228258288318344由（3-1）于（3-5）可由下式求出：（3-6）式中ISC=1367W/m2为太阳能常数。（3-1）式中为地物表面反射率。普通状况下，最后一项地面反射辐射量很小，只占HT百分之几。式中H为水平面上总辐射量。为地面反射率，范畴大体为0.20.7，普通取=0.2。在实际应用时，倾角计算成果精准到1已
41、经足够。详细计算过程相称复杂，为此可运用计算机软件，只要输入安装地点太阳辐射资料及地理纬度等数据，即可算出任意倾角下平均日辐射量，最后拟定本地最佳倾角及各月平均日辐射量10。（2）平均峰值日照时数计算由太阳能电池倾斜面方阵上有辐射资料历年逐月日平均太阳能辐射量可求出全年平均日太阳辐射量HT,，并用单位mWh/cm2表达，除以原则日太阳辐射照度，即可求出平均峰值日照时数T0，如式（3-7）所示。（3-7）（3）驻马店地区气象资料驻马店位于河南中南部，北接漯河，南邻信阳，地处淮河上游丘陵平原地区。位于北纬32183315，东经1131011512，地处亚热带与暖温带过渡地带，具备亚热带与暖温带双重
42、气候特性，是典型季风型半湿润气候。重要特点是：季风分明、四季分明、温湿适中、雨热同季。年平均太阳辐射总量112120千卡/平方厘米，年平均日照时数约为2200小时。全年平均气温15，极端最低气温-21，极端最高气温达44。全市近年平均降水量为920mm，南部多于北部，西部多于东部。常年主导风向冬季为西北风和北风，夏季为东南风和南风，最大风速为25米/秒。表3-2 驻马店市 (1998-)年平均基本气候资料驻马店基本气候状况（据1998-资料记录）月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均温度（）1.33.68.415.420.625.427.226.021.516.09.3
43、3.5平均最高温度（）6.48.913.721.226.430.831.930.926.921.814.88.9极端最高温度（）21.825.530.635.137.740.040.540.638.834.330.121.7平均最低温度（）-2.8-0.73.59.815.120.223.322.317.211.44.8-0.8极端最低温度（）-18.0-18.1-10.0-1.24.410.716.014.48.5-1.5-8.7-14.8平均降水量（毫米）21.425.051.358.284.3130.0194.4180.5106.771.839.216.4降水天数（日）5.35.98.6
44、7.99.89.212.711.39.58.76.24.9平均风速（米/秒）2.32.52.62.62.42.42.21.91.82.02.32.4依照驻马店地区历年逐月日平均辐射量及驻马店地区纬度经计算驻马店地区平均实际日照时数7小时；平均峰值日照时数（组件表面上）为4.33小时；最小日峰值日照时数为3.68小时；驻马店地区太阳能电池组件最佳倾角为41。成果见表（3-3）所示。表3-3 驻马店光伏方阵最佳倾角及其相应斜面上历年逐月日平均辐射量地点纬度最佳倾角1月2月3月4月5月6月驻马店地区北纬321841395.3413.8438.7465.2482.5480.97月8月9月10月11月1
45、2月490.2524.6502.1483.0421.8368.23.3 家庭日用电负荷计算本次实验设计所用家庭负荷量数据采用调查访问形式获得，对普通家庭式日惯用电负荷进行调查，计算记录出家庭惯用负荷功率及其用电时数，表3-4为普通家庭寻常负荷表。表3-4 普通家庭寻常负荷登记表家用负载电器名称规格型号耗电功率数量每日工作时间日耗电量照明负载节能灯11W64264Wh电脑液晶显示300W151500Wh打印机喷墨30W1130Wh电冰箱210L300W1103000Wh洗衣机200W10.5100Wh微波炉800W10.5400Wh彩色电视机25寸80W16480Wh总计1776W5774Wh由登记表